автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка методов исследований и способов уравновешивания поршневых двигателей

На правах рукописи

Газиалиев Сергей Валерьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И СПОСОБОВ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 — Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005568789

13 ПАП 2015

Москва - 2015 г.

005568789

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» (ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Гусаров Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

Тольскнн Владимир Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, Государственный научный центр РФ ФГУП «Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт» (ФГУП «НАМИ»), старший эксперт Экспертного Совета;

Краснокутский Андрей Николаевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана», доцент кафедры "Поршневые двигатели" (Э2)

Ведущая организация Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский университет дружбы народов» (ФГАОУ ВО «РУДН»)

Защита состоится 25 нюня 2015 г. в 14-00

на заседании диссертационного совета Д 212.140.01, Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет» (ФГБОУ ВПО «МАМИ»), 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38, ауд. Б-303

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МАМИ» и на сайте Шр:/Ау>у\у.тат1,.гц/щ<}ех.|)11р?!(1=416

Автореферат разослан 27 апреля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Щетинин Юрии Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Снижение виброактивности ДВС - одна из важнейших задач. Вибрация отрицательно сказывается не только на здоровье человека, но и на долговечности деталей машин и механизмов.

Неуравновешенность двигателя обусловливается силами инерции возвратно-поступательно движущихся масс (ВПДМ), их моментами й возмущением от переменного реактивного крутящего момента (РКМ). Уравновешивание сил ВПДМ и их моментов, а также уменьшение возмущений РКМ, осуществляется с помощью:

1) естественного уравновешивания - выбора рациональной компоновочной схемы ДВС (числа цилиндров ¡, угла развала цилиндров у, угла между кривошипами коленчатого вала 8, порядка работы, положением нащечных противовесов);

2) искусственного уравновешивания - использования специальных уравновешивающих механизмов.

Обычно уменьшению возмущений реактивного момента ЛМр не уделяют должного внимания, хотя при сравнении с остальными инерционными силами и моментами на некоторых режимах работы ДВС, например, на режиме холостого хода (XX, режим малой частоты вращения коленчатого вала, от 600 до 1000 об/мин) РКМ оказывает на неуравновешенность наиболее существенное влияние. Количественно это возмущение оценивали по величине максимального за период действия

I

2

неравномерного крутящего момента: Ьм= | ( Л/тс - М )■ Ш

\

где М/с - мгновенное значение крутящего момента, М, - средний индикаторный момент, и и — границы интервала внутри периода, соответствующие максимальному значению величины

В последние годы наблюдается появление серийных образцов ДВС с новыми кинематическими схемами, типа VII и XV, с разрезными шатунными шейками коленчатого вала, позволяющими одновременно выбирать оптимальный угол развала подобных двигателей при любом числе цилиндров и обеспечивать равномерное чередование вспышек.

В настоящее время недостаточно исследована уравновешенность ДВС со сложными кинематическими схемами (типа VII и \У). Отсутствует сравнительный анализ уравновешенности различных ДВС, обусловленной возмущениями РКМ, на режиме XX. Отсутствуют расчетные методики оптимизации схемы размещения балансирного вала с учетом дополнительного снижения возмущений РКМ для ДВС типов Ш и Я2. Отсутствует методика уравновешивания различных ДВС без использования балансирных валов, а только при помощи противовесов, установленных на коленчатом вале, в случаях вида годографа возмущающего фактора отличного от окружности. Недостаточно исследовано влияние положения ЦМ на уравновешенность двигателя. Недостаточно исследованы

возможности дополнительного снижения возмущений РКМ в дизельных ДВС за счет изменения параметров рабочих процессов в цилиндрах. Решение таких задач является актуальным.

Цели работы: разработка методов анализа уравновешенности ДВС с различными схемами КШМ с использованием универсального критерия оценки возмущений от инерционных сил и моментов, совершенствование и разработка способов уравновешивания ДВС.

Для достижения целей работы сформулированы следующие задачи:

1) усовершенствовать методику анализа уравновешенности, с тем, чтобы выполнять количественную оценку любых видов возмущений для разных схем ДВС, используя при этом возможности программного анализа. Выполнить количественную оценку уровня возмущений с помощью универсального критерия для вновь разработанных способов уравновешивания;

2) проанализировать уравновешенность двигателей нового типа УЯ;

3) проанализировать уравновешенность двигателей различных типов и компоновок на режиме XX, где возмущения от действия реактивного крутящего момента возрастают и становятся основными источниками неуравновешенности, а так же разработать способы уменьшения возмущений РКМ на режимах XX;

4) экспериментально доказать эффективность способа уменьшения возмущений РКМ на режиме XX.

Методы исследования. В работе использованы: методы моделирования рабочих процессов поршневых двигателей, методы математической статистики, математический анализ, компьютерное моделирование, инженерный эксперимент.

Достоверность и обоснованность работы подтверждается результатами выполненных теоритических расчетов и экспериментальных исследований, выполненных в лаборатории двигателей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) впервые выполнен количественный анализ уравновешенности ДВС типа УЛ5 от действия инерционных сил и моментов;

2) выполнен сравнительный количественный анализ возмущений от действия реактивного крутящего момента у двигателей с разными схемами КШМ на режиме холостого хода. Предложен новый способ уменьшения возмущений РКМ дизельных ДВС на режиме XX. Экспериментально доказана эффективность применения дросселирования воздушного потока на впуске для уменьшения возмущений РКМ дизельного ДВС типа Я4 на режиме холостого хода.

3) предложен расчётный метод совершенствования уравновешивающего устройства для ДВС типа Я2 и Ш при установке одного балансирного вала, позволяющий одновременно

существенно уменьшить возмущения РКМ за счёт оптимизации положения балансирного вала;

4) предложены эффективные способы уравновешивания сил и моментов от ВПДМ несвязанные с применением балансирных валов, а только при помощи противовесов коленчатого вала для различных схем КШМ. Разработаны методики для определения оптимальных параметров этих противовесов;

5) предложен новый способ улучшения уравновешенности ДВС типа Ш за счёт оптимизации положения его центра масс;

Практическая ценность научных результатов. Выполненная работа позволяет улучшить характеристики ДВС, связанные с вибрационной нагрузкой. Предложенные новые способы уравновешивания для ДВС являются относительно мало затратными по сравнению с традиционными способами и достаточно эффективными.

Объект исследований. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с различными схемами КШМ.

Предмет исследований. Периодические возмущения поршневых ДВС, методы их анализа и способы снижения возмущений.

Реализация результатов работы. Разработанные способы уменьшения возмущений и проведенные анализы уравновешенности ДВС дополняют курсы дисциплин «Динамика ДВС» и «Конструирование ДВС». На способ частичного уравновешивания возмущений от действия РКМ в дизельном ДВС с помощью дроссельной заслонки получен патент на изобретение.

Основные положения выносимые на защиту:

1) Количественный анализ уравновешенности двигателя типа УЯ.

2) Количественный анализ уравновешенности автомобильных двигателей на холостом ходу. Способ улучшения уравновешенности дизельного двигателя типа Я4 на XX, а также экспериментальная оценка улучшения уравновешенности.

3) Методика совершенствования уравновешивания двигателей типов Ш, 112 за счёт применения одного балансирного вала и определения оптимальных координат его оси.

4) Методика и способ уравновешивания инерционных сил и моментов от возвратно-поступательно движущихся масс поршневых двигателей различных компоновок без применения балансирных валов, а только при помощи противовесов, установленных на коленчатом вале.

5) Методика и способ улучшения уравновешенности одноцилиндрового двигателя путем оптимизации положения его центра масс.

Апробация работы. Основные результаты и положения по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на: заседании кафедры автомобилей и двигателей ГОУ МГИУ, 2013 г.; II Международной

научно-технической конференции «Итоги и перспективы интегрированной системы образования в высшей школе России: образование, наука, инновационная деятельность», МГИУ, 2011 г.; научно-практической конференции «Молодая наука АФ-2012», МГИУ, 2012 г.; творческом конкурсе научных статей студентов и аспирантов МГИУ, 2012 (1 место), 2013 гг., всероссийском студенческом форуме «О будущем - без должностей и галстуков», 2013 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получен патент на изобретение на способ уменьшения возмущений от РКМ в дизельном ДВС с помощью дроссельной заслонки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 144 страницы печатного текста, 19 таблиц, 47 рисунков, 110 наименований списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, научная новизна.

В первой главе диссертации приведен обзор методов анализа уравновешенности, традиционных способов уравновешивания и современных подходов к уравновешиванию.

Проблеме уравновешивания двигателей посвящено множество учебников, статей и других научных работ, таких ученых, как: Григорьева Е.А., Гусарова В.В., Истомина П.А., Каца A.M., Кер Вильсона, Неймана И.Ш., Попыка К.Г., Сегаля В.Ф., Тольского В.Е., Яманина А.И., Доброгаева Р.П. и многих других.

В обзорной части диссертации сделан вывод, что причина повышенной виброактивности ДВС заключена в особенностях конструкции КШМ и рабочего процесса в цилиндрах двигателя.

Уравновешенность многоцилиндрового двигателя определяется совокупностью суммарных силовых и конструктивных факторов, вызывающих переменное значение реакций на опорах силового агрегата (СА).

Ra, Rb,..., R„=f(Z.Pji, Y.Pft, ZPC, Щи IMj2, ЪМС, YMP, Abu,

где Ra, Rb,..., R„ - реакции на опорах СА, Н; Хцм, Уцм, Zm -координаты положения центра масс (ЦМ) СА определяющие расстояние от линии действия результирующих сил до ЦМ, м; Рл, Pfl - сила инерции ВПДМ соответственного первого порядка и второго порядка, Н; MJU Мп -момент от сил инерции ВПДМ соответственного первого порядка и второго порядка, Н-м; Рс - центробежная сила инерции вращающихся частей КШМ, Н; Мс - центробежный момент вращающихся частей КШМ, Н-м; Мр -реактивный крутящий момент, Н-м.

За счёт выбора схемы КШМ ДВС и с помощью специальных устройств можно полностью уравновесить все инерционные силы моменты, однако практически не существует механизмов, полностью исключающих возмущения вызываемые возмущенияю действия реакций от переменного крутящего момента ЛМР.

Существуют различные методы анализа уравновешенности многорядных ДВС, реализуемые следующими способами: графическими, аналитическими, экспериментальными, «универсальными», а также, численными на ЭВМ.

В результате анализа в данной работе предпочтительно используется новый метод анализа уравновешенности ДВС, предполагающий количественную оценку импульса от каждой из неуравновешенных сил и моментов, позволяющий выполнять анализ сложных кинематических схем от разных возмущений, включая РКМ и находить новые способы уравновешивания.

В данной работе количественная оценка уравновешенности ДВС определяется по максимальному импульсу за период действия возмущающего фактора, по следующим формулам:

Ьртах '

тах

Р-Л, (1)

М ■ (к,

где ¿ртах. Дд/шах - максимальный за период импульс силы (момента), /| и — соответственно время начала и окончания максимального за цикл возмущающего действия силы (момента), с; Р, М- переменная по величине и направлению возмущающая сила (момент), Н, Нм.

Здесь следует отметить, что рассматриваемые силовые факторы, вызывающие неуравновешенность ДВС, имеют периодический характер действия. Поэтому наибольшее возмущение силового фактора за период, мы условно будем называть - максимальный за период импульс силы (момента).

Во второй главе выполнен количественный анализ уравновешенности ДВС со сложными схемами КШМ (типа VII), также выполнено сравнение возмущений от РКМ у ДВС с различными схемами КШМ на режимах XX.

Проведённый анализ показал, что у ДВС типа VR5 {-/Ф 0°) неуравновешенны как силы инерции ВПДМ, так и моменты от них для всех возможных вариаций схем КШМ. Возмущения от действия неуравновешенного момента сил инерции ВПДМ намного больше, чем от этих сил. Корректная сравнительная оценка возмущений от сил и моментов возможна по величинам максимальных безразмерных импульсов возмущений за период: — от сил инерции, £тахл// - от моментов этих сил. Для данного случая = 0,323(рад), ЬТпгхр:г - 0,105(рад) - возмущения от

сил инерции 1-го порядка в 3 раза больше, чем от сил 2-го порядка;

1,46 (рад), ¿тахА/д- 1,25(рад) — возмущения от действия моментов для обоих порядков примерно одинаковы.

В таблице 1 приведены значения импульсов, характеризующих возмущающее действие неуравновешенных сил и моментов в двигателе типа для варианта КШМ, реализующего порядок работы 1-2-4-5-3.

Таблица 1

Безразмерные импульсы возмущений от неуравновешенных сил инерции ВПДМ и моментов этих сил в ДВС типа У!15 при разных углах

У -^тах/71 ЬтахРЯ ^тахЛ//2

а 0 0 0,90 1,25

1Сг 0,216 0,070 1,18 1Д5

15 0,323 0,105 1,46 1,25

2а 0,430 0,140 1,77 1,24

Следует учесть, что для прямого количественного сравнения возмущений от действия неуравновешенных сил и моментов значения импульсов сил и моментов (из условия действия одинаковых энергий возмущений при их равных значениях), значения импульсов сил {ЬтххР]) надо умножить на коэффициент приведения:

-^пр.тахР/ ^'¿та хРр

для подобных конструкций силовых агрегатов (СА) /с=0,25.

Как видно из таблицы 1 с увеличением угла развала возмущения от действия неуравновешенных сил и моментов растут, исключая не меняющееся действие момента от сил инерции 2-го порядка. С учётом приведения значений импульсов от сил и моментов к одному знаменателю для возможности сравнения их по энергии возмущений (через коэффициент к) видно, что возмущения от неуравновешенных сил во всех этих случаях незначительны. По энергии возмущения неуравновешенность от сил инерции меньше, чем от моментов примерно в 20.. .30 раз при разных углах развала.

После такого приведения видно, что возмущения 1-го порядка от действия моментов, характеризуемое величиной ЬтлхМ], примерно в 20 раз больше, чем от действия неуравновешенных сил (для возмущений 2-го порядка эта разница ещё больше).

При увеличении угла развала возмущение от действия неуравновешенного момента сил инерции 1-го порядка (УМл) существенно возрастает. Количественный анализ выполнен для разных углов развала

При типичном угле развала ДВС типа УЯ5 у= 15° оно характеризуется увеличением импульса от этого момента (1тахл</1) почта в полтора раза по сравнению с рядной схемой (у= 0°), что делает целесообразным частичное уравновешивание этого момента с помощью нащёчных противовесов. Момент от сил инерции 2-го порядка при изменении угла развала практически не изменяется.

Весьма незначительно влияние положения центра масс (ЦМ) на неуравновешенность силового агрегата (СА) от действия моментов 1-го и 2-го порядков.

Также во второй главе выполнили анализ особенностей возмущений РКМ. Проанализировав возмущающее действие РКМ у ДВС с различными КШМ, пришли к выводу, что максимальный импульс возмущения от действия РКМ достигает своих наибольших значений на режиме XX. Он является основным источником вибрации двигателя на этом режиме. Среди исследованных типов двигателей на режиме XX самую большую возмущения действия РКМ имеет дизельный двигатель типа Я2, самую маленькую -бензиновый двигатель типа Яб.

Для анализа были приняты среднестатистические весогабаритные параметры кривошипно-шатунного механизма автомобильного двигателя: £>= 85 мм, 5= 85 мм, масса поршня Л/„= 0,601 кг, масса шатуна А/ш=1,02 кг. Для режима холостого хода в расчетах принято: п= 700 об/мин, Р,— 0,20 МПа. Весогабаритные параметры КЩМ для всех рассматриваемых ДВС задали одинаковыми.

Таблица 2

Значения максимальных импульсов возмущений от РКМ £таш (Н-м-с) для заданных значений параметров КШМ автомобильных двигателей разного

типа на XX.

Тип двигателя бензиновый дизельный

Я2 1,071 3,343

Ю 1,143 3,115

Я4 0,823 2,610

Я5 0,925 2,477

Л6 0,637 1,975

При сравнении возмущений РКМ по величинам энергий возмущений бензиновые двигатели на режиме XX уравновешены существенно (примерно в 7. ..10 раз) лучше аналогичных по конструкции дизельных ДВС.

Произвести количественное сравнение возмущений от РКМ в ДВС с различными типами КШМ и оценить весьма существенную возмущения действия РКМ на режимах XX оказалось возможным только с помощью нового количественного метода анализа и оценки уравновешенности.

Основным источником вибрации дизельных двигателей на холостом ходу является возмущение от действия реактивного крутящего (опрокидывающего) момента. Величина этого возмущения существенно больше, чем у аналогичных бензиновых ДВС. На других режимах работы эта разница не столь существенна. Уменьшить возмущающее действие опрокидывающего момента в дизельном двигателе на холостом ходу можно путем дросселирования воздушного потока на впуске (рис. 1).

Рис. 1. Кривые результирующего крутящего момента дизельного ДВС с расчётными конструктивными параметрами на режиме холостого хода при разной степени

дросселирования: а -0%; 6-40%; в-85%.

Максимальные возмущающие импульсы составили ЬМтЮ1 =1,31 Н-м-с в случае отсутствия дросселирования впускного коллектора, в случае 40% дросселирования - ЬМтах= 1,04 Н-м-с, при 85% - ЬМты = 0,74 Н-м-с. В результате, в варианте «б» максимальный импульс уменьшается в 1,27 раза, а по энергии - в 1,62 раза по сравнению с исходным значением импульса дизельного ДВС на XX при отсутствии дросселирования. В варианте «в» максимальный импульс уменьшается в 1,77 раза, а по энергии - в 3,18 раза!

В результате можно в несколько раз улучшить уравновешенность дизельного двигателя на холостом ходу.

Следует отметить, что применение дроссельной заслонки для уменьшения возмущений РКМ эффективно на малых частотах вращения коленчатого вала, ориентировочно до 1000 об/мин.

В третьей главе предложена методика совершенствования уравновешивания ДВС типов Ш, Я2 за счёт применения одного балансирного вала и определения оптимальных координат его оси; предложены новые способы улучшения уравновешенности сил и моментов от ВПДМ поршневых двигателей различных компоновок без применения балансирных валов, одноцилиндрового двигателя путем оптимизации положения его центра масс, дизельного двигателя типа И4 на холостом ходу за счёт снижения возмущений от действия реактивного крутящего момента.

Двухцилиндровый ДВС можно полностью уравновесить от действия сил инерции ВПДМ 1-го порядка и эффективно (в несколько раз) частично уменьшить возмущения обусловленные действием реактивного крутящего момента с помощью противовесов, устанавливаемых на коленчатом вале и

только на одном балансирном вале (а не на 2-х, по методу Ланчестера, как это практиковалось ранее) (рис. 2).

Рис. 2. Схема уравновешивания сил инерции ВПДМ 1-го порядка и частично реактивного крутящего момента в ДВС типа Я2 с помощью одного балансирного вала (схема аналогична и для Ш).

Разработаны методы определения координат расположения оси этого балансирного вала, позволяющие в максимальной степени уменьшать возмущения от РКМ для каждого режима работы ДВС (как с учетом как амплитудных, так и фазовых значений уравновешивающего момента от действия противовесов расположенных на коленчатом и балансирном валах). Разработаны методики оптимизации уравновешивания для случая фиксированного положения этого балансирного вала, из условий минимизации возмущений РКМ для произвольно задаваемого набора режимов работы ДВС. При этом уравновешенность двигателя от РКМ улучшается, сравнительно с вариантом без балансирного вала, практически на всех режимах работы ДВС (рис. 3). м

250.00 200 00 150.00 100.00 50.00 0,00 •50.00 -100,00 -150.00 -200.00

Рис. 3. Кривые моментов ДВС типа Я2, передаваемые на опоры от реактивного крутящего момента ЕМР, балансирного вала /Ц-) в и результирующего Мг при оптимальном положении балансирного вала.

11

Максимальные импульсы возмущений на различных режимах работы двигателя от реактивного крутящего момента Т.Мр и суммарного результирующего момента M-z при оптимальном положении оси балансирного вала сведены в таблице 3.

Таблица 3

Сравнение максимальных импульсов возмущения от действия реактивного крутящего момента ДВС типа R2 без балансирного вала и при оптимальном для каждого режима положении оси вала (в скобках): (S/D =

85/85 мм, массы поршня и шатуна - 0,51 и 0,62 кг соответственно), Н-м-с.

Р„ МПа 1,1 0,8 0,6 0,4 0,2

/;, об/мин

1000 4,24 (1,61) 3,42(1,32) 2,85(1,11) 2,32 (0,93) 1,79 (0,75)

2000 2,05 (0,63) 1,65 (0,45) 1,38 (0,36) 1,13 (0,28) 0,88 (0,20)

3000 1,33 (0,27) 1,08 (0,17) 0,90 (0,13) 0,74 (0,15) 0,58 (0,17)

4000 0,99 (0,22) 0,87 (0,26) 0,79 (0,29) 0,72 (0,32) 0,65 (0,35)

5000 1,02 (0,39) 0,93 (0,44) 0,87 (0,46) 0,81 (0,49) 0,76 (0,52)

Как видно из таблицы 3 при оптимальном смещении балансирного вала максимальный импульс от суммарного результирующего момента меньше максимального импульса от реактивного крутящего момента в 2...7 раз в зависимости от режима работы ДВС, а по энергии возмущения - в 4...49 раз (энергия прямо пропорциональна квадрату импульса).

В настоящий момент не существует достаточно простых механизмов, позволяющих менять положение балансирного вала в зависимости от режима работы двигателя. Поэтому в диссертации предлагается алгоритм определения оптимального положения оси балансирного вала, предусматривающий определение результирующего импульса для набора наиболее частых режимов - режимов малых и средних нагрузок при частоте оборотов до 3000 об/мин. Даже при фиксированном, оптимальном для группы режимов, положении балансирного вала, уравновешенность двигателя от действия реактивного крутящего момента улучшается сравнительно с вариантом без балансирного вала практически на всех режимах работы ДВС, хотя это улучшение и меньше, чем при варьировании смещения на каждом режиме.

Далее в третьей главе, с использованием нового критерия оценки возмущений ДВС разработаны методики частичного уравновешивания моментов от сил инерции ВПДМ 1-го порядка с помощью противовесов коленчатого вала для ДВС типа ЯЗ, Я5, УЯ5. Показано, что если исходное уравновешиваемое возмущение имеет годограф в виде отрезка прямой, энергию возмущения можно уменьшить в 2 раза, а если в виде эллипса, то энергию от действия возмущающих импульсов можно уменьшить более чем в 2 раза. Разработана программа для определения оптимальных значений величины и угла (плоскости действия) центробежного момента противовесов коленчатого вала, обеспечивающих максимальное уравновешивание для

произвольных схем КШМ. Таким образом, в некоторых случаях достаточное уравновешивание двигателей от действия моментов сил инерции ВПДМ 1-го порядка можно обеспечить и без установки балансирных валов. Результаты такого уравновешивания сведены в таблице 4.

Таблица 4

Параметры противовесов при уравновешивании ДВС при помощи

противовесов коленчатого вала и максимальный эффект от уравновешивания

Тип КШМ ДВС Дисбаланс противовесов, Угол установки, <Р Во сколько раз снижаются возмущения по импульсу (энергии)

ЯЗ — т-г-Ы к 2 -30 • 1,41 (2)

Я5 0,2245т-г-Ы к 54 ° 1,41 (2)

(у= 15°) Ъ,А\т-гЫ к 92,4° 1,67 (2,7)

Так же в третьей главе, показано, что в одноцилиндровом двигателе положение ЦМ СА относительно центра КШМ ДВС существенно влияет на уравновешенность. Разработана методика и программа для определения оптимального положения ЦМ СА при котором существенно уменьшается импульс возмущающего действия реактивного крутящего момента (рис. 4).

Рис. 4. Графики моментов, определяющих уравновешенность одноцилиндрового ДВС, на режиме «=3000 об/мин; Р, =0,70 МПа при наилучшем положении ЦМ СА: Мр— реактивный крутящий момент ДВС; Му - момент от результирующих сил инерции КШМ ДВС относительно ЦМ; Мър- результирующий неуравновешенный момент на опорах СА.

Для рассматриваемого случая при наилучше подобранном положении ЦМ возмущения действия момента МЕр характеризуются следующими

значениями Ьу,па!= 0,017 Нмс - при наилучшем положении ЦМ; при положении ЦМ в центре КШМ ЬМтм= 0,023 Н м с. Таким образом, для этих сравниваемых вариантов за счет подбора положения ЦМ можно уменьшить максимальный импульс возмущения в 1,35 раза, а энергию действия возмущающих импульсов 1,83 раза.

Таблица 5.

Оптимальные для уравновешивания СА значения координат ЦМ характеризуемые размерами а и Ь, для разных режимов работы расчетного

двигателя, мм.

п, об/мин Р„ МПа

1,0 0,7

2000 а= 123; Ь= 10 а= 113; Ь= -19

3000 а= 66; 6=-10 а= 50; Ь= -6

4000 37; 6= -4 а= 20; Ъ=-1

5000 а= 18; 6= 0 а= 11; ¿=6

При сравнении с вариантами размещения ЦМ в центре КШМ неуравновешенность, оцениваемая энергией возмущения, уменьшается примерно в 1,7 — 2,0 раза. Во всех этих случаях момент от сил инерции уменьшает возмущения реактивного крутящего момента. Общая закономерность состоит в том, что чем выше скоростной режим, тем ближе к центру КШМ целесообразно располагать ЦМ. Отметим, что при малых оборотах (от 1000 до 2000 об/мин) смещение ЦМ достигает 200 мм и более, что весьма затруднительно реализовать при малых габаритах ДВС. Такой метод уравновешивания эффективен на средних и высоких оборотах. Применять его на практике целесообразно, так как подобные ДВС чаще всего работают на постоянных средних оборотах.

Корректировкой положения ЦМ, например, путем соответствующей установки навесного оборудования, можно значительно уменьшить возмущения РКМ на средних и высоких оборотах.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования проведенного в лаборатории двигателей кафедры автомобилей и двигателей ФГБОУ МГИУ.

Целыо исследования являлось получение достоверных экспериментальных данных по возможностям снижения вибронагруженности дизельного ДВС типа 1?4 за счёт дросселирования на впуске. Это позволило оценить эффективность применения дроссельной заслонки для уменьшения возмущений от действия реактивного крутящего момента на режиме XX в дизельном двигателе, а так же сравнить с результатами теоретического анализа для подтверждения эффективности разработанной методики анализа.

При экспериментальном исследовании решался следующий круг задач: разработка экспериментальной установки; доработка впускного и

выпускного коллекторов двигателя; разработка методики проведения эксперимента; разработка методики и программ для обработки и анализа экспериментальных данных.

Основная задача экспериментальных исследований заключалась в фиксировании значений виброускорений двигателя на стенде при различных углах открытия дроссельной заслонки на режиме холостого хода, при этом датчик ускорений располагался в поперечной плоскости остова двигателя (рис. 5), так как целью измерений были колебания, обусловленные только действием реактивного крутящего момента Мр, а плоскость действия этого момента перпендикулярна оси коленчатого вала.

Количество исследованных режимов - 2: режим полного открытия дросселя, режим полного закрытия дросселя. Степень открытия дросселя оценивали по данным изменений показаний расхода воздуха «2„, м3/ч и давления на впуске Рм др , бар.

Приняли, что степень дросселирования, соответствующая 100% - это фактически предельный случай (соответствует падению давления Р3а др на режиме XX среднестатистического бензинового ДВС = 0,04 МПа). А степень дросселирования, соответствующая 0% - соответствует полностью открытому дросселю (Рш др. = 0,095 МПа). Опытным путем определили, что технически возможно перекрыть впускной коллектор приблизительно на 85% (конструкции дроссельного узла и соединительного фланца таковы, что заслонка закрывается не полностью). То есть, если положение дросселя «полностью открыт» обозначить индексом I, а положение «полностью закрыт» - 2, то степень дросселирования будет определяться из выражения:

где ДЛадр тах - максимальная разница давлений при полностью открытой и полностью закрытой заслонке в задроссельном пространстве среднестатистического бензинового ДВС, АРяадр тах= 0,055 МПа.

Частота вращения коленчатого вала фиксировалась на уровне 720 об/мин, а нагрузка ДВС поддерживалась равной Мт= 0 Н м.

Рис. 5. Датчик ускорений,

прикрепленный к

головке цилиндров двигателя САТ-3114: 1-корпус датчика; 2-площадка крепления датчика.

Р -Р

h — ia 1 ta др.2 _ л ос. др~ Л Р

Дроссельный узел был установлен на специально изготовленный для испытаний фланец, имеющий регулировочный болт (рис. 6), с помощью которого были определены промежуточные фиксированные режимы.

Рис. 6. Измененный участок впускного коллектора: 1 -

впускной коллектор;

2- кран регулирования рециркуляции отработавших газов;

3- регулировочный болт.

Система рециркуляции отработавших газов (поз. 2, рис. 6) была установлена из-за опасения возникновения пропусков зажигания вследствие снижения температуры конца сжатия Тс при дросселировании, её планировалось использовать для подогрева свежего заряда на впуске. Но при проведении эксперимента, даже на режиме самого глубокого дросселирования двигатель работал устойчиво без пропусков зажигания. Параметры исследуемых режимов приведены в таблице 4.

Таблица б

____Параметры режимов_____

№ режима а» мз/ч Рза др., бар кар, %

1 88 0,95 0

2 38 0,48 85

На каждом режиме выполняли замер виброускорений испытуемого ДВС в течение 10 секунд. Подобрали такую частоту, чтобы на любом из исследуемых режимов получить ориентировочно 400 показаний датчика () за период изменения результирующего крутящего момента (180°). Соответственно задавали частоту датчика равную:

где кщ - количество измерений ускорений датчиком за период изменения крутящего момента, 420.

Время записи показаний датчика виброускорений на каждом режиме составляло примерно 10 секунд. При этом количество считанных датчиком сигналов виброускорений на каждом режиме приблизительно составляло до 100 тысяч при частоте считывания = 10 кГц. Полученные данные

ускорений на каждом режиме работы двигателя соответствовали примерно 240 периодам изменения возмущений от РКМ. При этом в течение каждого периода изменения РКМ выполнялись примерно 420 измерений ускорений остова ДВС.

Полученные данные виброускорений были импортированы в программную среду Microsoft Excel, где далее обрабатывались программным способом для определения значений максимальных импульсов условных ускорений за один период РКМ LM,yal (по 420 показаниям датчика). Для дальнейшей обработки из общего массива данных «случайным способом» выбирали по 20 участков виброускорений от действия РКМ двигателя, каждый из которых соответствовал по продолжительности 3-м периодам РКМ, для каждого варианта реализации XX. Для каждого периода возмущения определялся ¿Мусл (один период возмущения соответствует одному периоду РКМ или 420 показаниям датчика).

Aw уел Almas ^rt.min,

о

где kß - количество считанных показаний датчика при заданной частотеfj от начала периода до текущего момента, Da — текущее значение первообразной сигнала ускорения датчика, £>атах и Д,тт максимальное и минимальное значение первообразной сигнала ускорения датчика за период.

Возмущения от действия РКМ на каждом исследуемом режиме, оценивали по величине максимального размаха первообразной Da функции сигнала датчика ускорения остова силового агрегата (CA) адусл за период действия результирующего крутящего момента LMyc„, который пропорционален значению импульса возмущения от действия РКМ LMmax.

Заметим, что при таком анализе по существу оценивался «размах» изменений скорости колебаний CA за период действия РКМ:

Va=\a-dt,

о

На рисунке 7 в качестве примера показан фрагмент осциллограммы виброускорения и первообразной функции Da ( Va) на режиме №2.

о 50 100 150 200 250 300 350 400 .

л/и

Рис. 7. Осциллограмма виброускорений и первообразной ускорений Д, двигателя САТ-3114 на режиме №2 (перекрытие дросселя -85%); и - напряжение на выходе датчика, В; кр - текущее значение считываемого показания от начала данного цикла,/д = 10 кГц.

Для вычисления условного импульса момента РКМ Ьм_усл, в разработанной программе предусмотрели интегрирование значений сигнала ускорений, соответствует кривой Ва на рис. 7.

При сравнении результатов теоритического и экспериментального исследования оценивали эффект уравновешивания куР от степени перекрытия впускного коллектора кяр.

кур~ ^Мусл \1 ^Мусл и

где индекс 1 означает полностью открытый дроссель (режим №1), индекс 1 -номер соответствующего режима.

Таблица 7.

Результаты эксперимента

№ режима 1 2

кав, % 0 85

Экспериментальные значения

^М уел 1,757 1,004

кур 1 1,75

Теоритические значения

¿АЛпах, Н-м-с 1,319 0,738

Аур 1 1,79

Разница в определении степени уравновешивания к№ на режиме максимального перекрытия дросселя при теоретическом и экспериментальном анализе составила 2,02%.

Таким образом, доказана эффективность применения дроссельной заслонки для уменьшения возмущений от действия реактивного крутящего момента на режиме XX в дизельном двигателе. Полученные экспериментальные результаты аналогичны результатам теоритического анализа. Все это подтверждает эффективность применения дроссельной заслонки в дизельном ДВС и разработанной методики анализа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведен количественный анализ уравновешенности ДВС типа VR5, который показал, что у подобных ДВС неуравновешенны как силы инерции ВПДМ, так и моменты от них для всех возможных вариаций схем КШМ. Возмущения от действия неуравновешенного момента сил инерции ВПДМ намного больше, чем от этих сил. При увеличении угла развала возмущение от действия неуравновешенного момента сил инерции 1-го порядка (YMß) существенно возрастает. Момент от сил инерции 2-го порядка при изменении угла развала практически не изменяется. Весьма незначительно влияние положения ЦМ на неуравновешенность CA от действия моментов 1-го и 2-го порядков.

2. Показано, что импульс возмущения от действия РКМ достигает своих наибольших значений на режиме XX. Он является основным источником неуравновешенности двигателя на этом режиме. Произвести количественное сравнение возмущений от РКМ в ДВС с различными типами КШМ и оценить весьма существенную возмущения действия РКМ на режимах XX оказалось возможным с помощью нового количественного метода анализа и оценки уравновешенности.

3. Двухцилиндровый ДВС можно полностью уравновесить от действия сил инерции ВПДМ 1-го порядка и эффективно (в несколько раз) частично уменьшить возмущения обусловленные действием реактивного крутящего момента с помощью противовесов, устанавливаемых на коленчатом вале и только на одном балансирном вале. Разработаны методики определения оптимального положения координат оси балансирного вала, при которых обеспечивается наилучшее уменьшение неравномерности действия РКМ как для отдельного режима, так и для определённого поля режимов работы ДВС.

4. С использованием нового критерия оценки возмущений ДВС разработаны методики частичного уравновешивания моментов от сил инерции ВПДМ 1-го порядка с помощью противовесов коленчатого вала для ДВС типа R3, R5, VR5. Показано, что если исходное уравновешиваемое возмущение имеет годограф в виде отрезка прямой, энергию возмущения

можно уменьшить в 2 раза, а если в виде эллипса, то энергию от действия возмущающих импульсов можно уменьшить более чем в 2 раза.

5. Показано, что в одноцилиндровом двигателе положение ЦМ СА относительно центра КШМ ДВС существенно влияет на возмущения действия РКМ. Разработана методика и программа для определения оптимального положения ЦМ СА при котором существенно уменьшается импульс возмущающего действия реактивного крутящего момента. Корректировкой положения ЦМ, например, путем соответствующей установки навесного оборудования, можно значительно улучшить уравновешенность двигателя на средних и высоких оборотах.

6. Показано, что основным источником вибрации дизельных двигателей на холостом ходу является возмущение от действия реактивного крутящего (опрокидывающего) момента. Уменьшить возмущающее действие опрокидывающего момента в дизельном двигателе на холостом ходу можно путем дросселирования воздушного потока на впуске.

7. Экспериментально доказано, что при дросселировании на впуске улучшается уравновешенность дизельного двигателя, обусловленная возмущениями реактивного крутящего момента. Полученные экспериментальные результаты соответствуют результатам теоритического анализа. Применение дроссельной заслонки в дизельном двигателе является эффективной мерой уменьшения неравномерности действия РКМ. Оно является привлекательным как с практической, так и с экономической точки зрения.

Основные положения диссертации отражены в 8 печатных работах, в том числе 3 публикациях, рекомендуемых ВАК РФ. Получен патент на изобретение.

В ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Газиалиев C.B. Анализ уравновешенности двигателя типа VR5. / Гусаров В.В., Газиалиев C.B. // Автомобильная промышленность. 2012, №6. С. 13-15.

2. Газиалиев C.B. АНАЛИЗ УРАВНОВЕШЕННОСТИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТИПА R4 НА ХОЛОСТОМ ХОДУ. / Гусаров В.В., Газиалиев C.B. // Автомобильная промышленность. 2013, №6. С 8-10.

3. Газиалиев C.B. Улучшение уравновешенности одноцилиндрового двигателя путем подбора положения его центра масс. / Гусаров В.В., Газиалиев C.B. // Машиностроение и инженерное образование. 2012, №3. С 2-6.

В других изданиях:

4. Газиалиев C.B. Оптимизация уравновешивания рядного двухцилиндрового двигателя типа R2. Труды II Международной научно-практической конференции 26 - 28 октября 2011 года. М. МГИУ. 2011. С. 735-738.

5. Газиалиев C.B. Улучшение уравновешенности одноцилиндрового двигателя путем оптимизации его развесовки. / Гусаров В.В., Газиалиев C.B. // Изв. МГИУ. Сер. Естественные и технические науки. 2012 №3 (26). С 7174.

6. Газиалиев C.B. Уравновешивание поршневых двигателей при помощи нащечных противовесов. / Гусаров В.В., Газиалиев C.B. // Изв. МГИУ. Сер. Естественные и технические науки. 2012 №1 (24). С 7-12.

7. Газиалиев C.B. Анализ неуравновешенности поршневых двигателей на холостом ходу. / Гусаров В.В., Газиалиев C.B., Рогачев A.B. // Изв. МГИУ. Сер. Естественные и технические науки. 2013 №1 (29). С 26-30.

8. Газиалиев C.B. Экспериментальные исследования возможностей снижения виброактивности дизельного двигателя на холостом ходу. / Гусаров В .В., Газиалиев C.B., Жариков В.В. // Изв. МГИУ. Сер. Естественные и технические науки. 2013 №1 (29). С 31-34.

Патент на изобретение:

9. Газиатиев C.B. Способ улучшения уравновешенности поршневого дизельного двигателя внутреннего сгорания на режиме холостого хода при помощи дроссельной заслонки. / Гусаров В.В., Газиалиев C.B., Жариков В.В. // Патент на изобретение №2013145835/06 от 15.10.2013. М.: ФИПС.

Подписано в печать 20.04.15

Формат бумаги 60x84/16.

Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 130. Заказ № 96 Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 276-33-67